地下水流系统理论砂箱实验装置的研制与应用

孙蓉琳， 刘延锋， 潘欢迎， 邓 斌， 梁 杏

（中国地质大学（武汉）环境学院，武汉430078）

0 引 言

水文地质学研究的是在与岩石圈、地幔、水圈、大气圈和人类活动相互作用下，地下水的水量和水质在时间和空间上的变化以及地下水对各个层圈相互作用产生的影响，从而服务于人与自然相互协调的可持续发展［1］。自匈牙利裔加拿大人托特（József Tóth）于20

世纪60年代提出地下水流系统理论，经过50多年的发展与完善，该理论已经成为当代水文地质学的核心概念框架［2-4］。地下水流系统理论指出，流域盆地中地下水位存在高程差，地下水在重力驱动下自组织地形成嵌套式多级次水流系统（局部、中间和区域水流系统），并控制着与地下水有关的各种自然现象和自然作用的空间有序分布。这一理论综合考虑了地下水与环境相互作用下的变化，为分析地下水各部分以及地下水与环境的相互作用提供了时空有序的理论框架［5］。

然而在实际水文地质调查和研究中，很多学者和学生并没有真正掌握并应用地下水流系统理论。在已经发表的期刊文章中，仍存在含水系统和水流系统概念混淆使用的情况。教学中发现，学生对地下水流系统理论的概念，从字面上和形式上容易理解，但难以利用该理论深入分析实际水文地质问题。究其原因，一是地下水流系统概念比较抽象，二是Tóth地下水流系统理论解析解的结果过于理想，学生难以理解看不见的地下水流竟然具有多级次嵌套式这一神奇特征。此外，气象、水文、地质和人类活动等因素对地下水流系统发育模式的影响也是教学中的重点和难点，如果不把握其物理实质，就很难应用此理论定性或定量分析实际水文地质问题［6-7］。

在此背景下，课程组对水文地质学基础本科课程将地下水流系统理论知识点由原来2学时增为4学时，并于2015年开始面向研究生开设地下水流系统理论与应用课程。相对于本科课程，研究生课程既要重视基础性和理论性，又要保持课程内容的前沿性，重视研究方法和实践能力的训练，帮助第1学年的研究生实现从本科到硕士阶段的转变［8］。因此地下水流系统理论与应用课程主要讲授地下水流系统理论、研究方法以及在不同工程领域中的应用案例［9-10］。

6年的教学实践中，课程组及时将地下水流系统理论最新的科研成果转化为教学内容。课程总学时为48学时，其中28学时为课堂讲授，12学时为砂箱实验，8学时为计算机数值模拟。课程组不断研制新的实验装置，开发新的教学内容，学生自己设计不同气象、水文、地质和人类活动影响下的物理实验，观察地下水流系统的多级次嵌套特征以及不同情景下的地下水流系统发育模式的演变过程。在实验教学中，强调以学生为主体，科学组织教学过程，着力培养学生的实践和创新能力。

1 实验教学目的

1.1 理解含水系统和地下水流系统概念的差异

含水系统是由隔水或相对隔水边界圈围的，由含水层和相对隔水层组合而成的、内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系。含水系统的边界是地质边界，控制含水系统发育的主要是地质结构（沉积、构造等），因此一般是静态的。地下水流系统是由一个或多个势源（补给区）流向一个或多个势汇（排泄区）的流线簇构成的、相互关联的、自组织的流动地下水体。水流系统的边界是水力零通量面，在自然地理（地形、气候、水文）、地质因素、人类活动等影响下会发生变动，因此水流系统的边界是动态的，水流系统发育模式也会发生变化。

课程教学中，通过对比不同类型的砂箱实验结果，学生能够深入理解含水系统和水流系统的本质差异，灵活用于定性或定量分析实际水文地质问题。

1.2 掌握水流系统的多级次嵌套特征

地下水流系统理论强调地下水在重力驱动下能自组织地形成嵌套式多级次水流系统，不同级次水流系统的水动力场、化学场和温度场特征不同。局部水流系统位于浅表，流程短而流速快，水循环交替迅速，水化学成分简单；区域水流系统从区域地势最高处流向区域地势最低处，流程长而流速慢，水循环交替慢，水化学成分复杂。2009年，我校梁杏等［11-12］研制了多级地下水流系统演示仪，仪器可以演示均质各向同性介质中二维稳定流的多级次地下水流系统，直观显示局部、中间和区域三级水流系统。此后，课程组又多次对演示仪进行改革，开展新的科学研究和教学实验。

学生利用砂箱开展流线示踪和溶质运移实验，通过实测水头确定各级流动系统的水头分布，通过地下水不同排泄点的电导率数据绘制盐水浓度突破曲线，计算不同级次水流系统的地下水流速，对比不同级次水流系统的水动力场和化学场分布差异。

1.3 理解水流系统模式演变的物理本质

地下水流系统发育模式受气象、水文、地形、非均质结构、盆地长深比、人类活动等因素影响。若对给定地形和渗透系数的含水层，从大到小调整降雨入渗强度，地下水流系统出现5种模式，从局部一级水流系统，转化为多级次嵌套水流系统（局部+中间二级水流系统，局部+区域二级水流系统，局部+中间+区域三级水流系统），进而转换为区域一级水流系统。

不同因素对地下水流系统发育模式的影响，如单靠解析解和数值模拟，条件过于理想化，学生也难以置信。通过砂箱实验，学生自己设计不同水文、气象、含水层结构和开采活动，用红墨水示踪流线可更直观观察水流系统发育模式的演变过程，掌握其物理实质。

2 砂箱实验装置的研制

2.1 河间地块潜水含水层

河间地块潜水含水层砂箱实验装置如图1所示，潜水含水层接受降雨入渗补给，地下水以泄流的形式向两边的河谷排泄。仪器主要包含：①均质石英砂填

图1 适用于河间地块潜水含水层的实验装置

充的河间地块潜水含水层；②内置在含水层中的2个完整井和2个非完整井，分别设置在砂箱正反两面，集水廊道水平井在砂箱底部，每个井的抽水流量大小可以人为控制；③顶部降雨装置与蠕动泵相连，可以定量调节雨量大小，模拟不同气象条件；④左右两侧河谷，通过溢水箱可调节河水位高低，模拟不同水文条件；⑤地下水位测压点与测压板相连，读取地下水位；⑥用来观察地下水流线的红墨水示踪点。

基于潜水含水层砂箱，学生可以设计实验来探究不同气象、水文条件以及人类开采活动影响下的地下水流系统发育模式。实验内容包含3个：①左右两侧河水位相等条件下，调节降雨强度，观测不同气象条件下水流系统的演变；②左右两侧河水位不同，观察地下水分水岭的偏移，分析河水位变化对于水流系统发育模式的影响；③打开单个或多个抽水井开关，进行不同流量的抽水，模拟人类对于地下水的开采活动，将实验结果与天然条件进行对比，分析人类活动对地下水流系统发育模式的影响。每种实验情境下，学生需要根据实验测得的地下水位和示踪流线绘制流网图。

2.2 承压含水层

承压含水层砂箱实验装置见图2，含水层从河流获得补给，以泉的形式排泄。仪器主要包含：①均质石英砂填充的等厚含水层；②有机玻璃板分别构成承压含水层的隔水顶板和底板；③模拟承压含水层的排泄口——断层上升泉；④从上游到下游有3个观测井，实验过程中也可以作为抽水井；⑤砂箱右侧可调节河水位高低的稳水箱；⑥砂箱底部有16个地下水位测压点与测压板相连，可以读取水位。

图2 适用于承压含水层的实验装置

基于承压含水层砂箱，学生设计实验，研究人类活动对承压含水层地下水流系统发育模式的影响。实验内容为：①天然条件下，承压含水层接受河流入渗补给，以泉的形式排泄。通过实验所测地下水位，绘制流网图，分析承压含水层区域一级地下水流系统特征；②在前述实验条件下，增加一个或多个抽水井进行抽水，通过改变抽水井流量大小，分析人类活动强度对于地下水流系统发育模式的影响。

2.3 多源汇的潜水盆地

Tóth所提出的嵌套式多级次地下水流系统理论是基于复杂地形起伏的盆地，有多个地下水补给源和排泄点。实验装置设计3个不同高程的河谷作为地下水的潜在排泄点，从上游到下游分3段降水，模拟多源汇的潜水盆地（见图3）。

图3 适用于多源汇的潜水盆地的实验装置（背面）

地下水流系统发育模式不仅与气象、水文和人类活动有关，也与含水层非均质结构有关，为此课程组设计了均质、透镜体非均质与层状非均质3种含水层结构（见图4～6）。

图4 均质砂箱中多级水流系统

图5 透镜体非均质砂箱中多级水流系统

图6 层状非均质砂箱中多级水流系统

实验装置包含5部分：①石英砂填充的含水层，分均质、透镜体非均质、层状非均质3种类型；②降雨系统，包含上游、中游、下游3个独立的降水装置，分别与蠕动泵相连，可以精确控制降雨量大小；③河流排泄系统，3个高程依次降低的低洼河谷构成可能的势汇；④流线示踪系统，砂箱正面上方有一排示踪点，注入红色墨水可以示踪地下水流向；⑤水位观测系统，砂箱背面有21个测压点，连接测压板，可以测定砂箱中不同测压点的地下水位，也可与压力传感器相连，监测不同情境下地下水位动态变化特征。

基于多源汇的潜水盆地砂箱，学生可以设计实验模拟Tóth理论的局部-中间-区域多级次嵌套式地下水流动系统，也可以分析降雨强度和非均质结构对地下水流系统发育模式的影响。实验内容为：①按照从大到小的顺序，调整每一个砂箱的降雨量大小，观察不同降雨入渗强度下的地下水流系统发育模式；②对比分析均质、非均质砂箱实验结果，分析含水层非均质性对水流系统发育模式的影响；③在选定的水流系统模式条件下，将上游降雨装置补给源由自来水换成一定浓度的盐水，通过对不同河谷排泄点的电导率进行连续监测，绘制盐水运移突破曲线，分析局部、中间、区域水流系统中流速的差异。

3 实验教学过程

在教学过程中，课程组不断更新教学理念，及时补充最新的地下水流系统理论科研成果，完善教学内容。通过多样化的教学方法和手段，使学生既能掌握地下水流系统理论相关知识，又能培养科学实验的研究素养［13-15］。在教学实践中，坚持以学生为主体，以研讨型和问题导向型为主要教学方式，通过6个环节来组织实验教学过程。

（1）问题提出。课堂讲授前将地下水流系统理论相关的国内外经典文献发给学生，要求学生对文献内容进行阐述总结，鼓励学生提出进一步需要研究的问题。思考如何通过砂箱实验再现地下水流系统的多级次嵌套式特征？研究气象、水文、地质或人为开采等因素对地下水流系统发育模式如何影响？地下水流系统发育模式演变的物理实质是什么？

（2）自主预习。近几年来，在地下水流系统理论有关的科研项目和学校实验技术研究项目的支持下，砂箱实验中地下水要素监测仪器有了较大改进，水位、流量和电导率测量除了人工读取，也可用数字传感器自动监测。课程组完成了实验讲义的编写，制作了实验课件和视频。学生通过预习，了解砂箱实验仪器及功能，思考实验内容。

（3）分组讨论。每一个砂箱实验需要3～5名学生，实验开始前对学生进行分组，同组学生不仅要配合完成实验内容，还要以小组为单位进行成果汇报。学生分组遵循“专业背景互补”的原则，尽可能涵盖不同生源和不同专业背景的学生。每个小组充分讨论，设计砂箱实验内容和实施方案。

（4）砂箱实验。3种类型的砂箱每种4台，一共12台，仪器需要在不同小组之间循环使用。3个实验全部完成大约需要3天，其中多源汇的潜水盆地砂箱实验，区域水流系统的盐水从示踪注入点到排泄点大约要10几小时，组内成员需要分工配合。实验过程中要及时处理数据，出现的问题要及时商讨解决。

（5）提交报告。每位同学提交实验报告，报告包含实验目的、内容、步骤、数据、成果（照片、流网图、溶质运移突破曲线图等）以及思考题分析。教师对成果整理中常犯的错误及时进行反馈和总结。如流网中每相邻两条流线之间的流量应该相等，不能简单按照示踪流线照描；流线的起始点应该是从潜水面出发，终止于排泄点，而非从地面或示踪注射点出发。

（6）汇报总结。教师根据学生实验成果，提前设置8～10个问题，学生也可提出自己感兴趣的科学问题。每组学生领取问题后，组内讨论，达成共识，做成PPT并推选代表汇报。汇报中学生之间通常会出现激烈的辩论，此环节可帮助学生深入理解地下水流系统理论知识，同时提高其思辨、沟通及团队协作能力。

汇报总结中一些尚有争议的科学问题，鼓励学生主动思考解决办法，指导学生通过解析解、改进实验装置和数值模拟等方法开展进一步的研究。通过以上6个教学环节的连贯实施，可以促进学生做、学、研相结合，在做中学、学中研、研中创［16］。

4 结 语

地下水流系统理论已经成为当代水文地质学的核心概念框架。对其概念的理解和讲授，如果仅仅停留于字面和形式，而不帮助学生深入把握其实质，学生就不能融会贯通，灵活应用于实际水文地质问题的研究。

地下水流系统理论与应用课程组研制3种砂箱实验装置用于实验教学，既可以帮助学生深入理解课程所涉及的基本概念和原理，又有助于学生掌握地下水流系统理论有关的科学研究方法。在实验教学中，以学生为主体，通过问题提出、自主预习、分组讨论、砂箱实验、提交报告和汇报总结等6个教学环节，不仅能使学生深入理解课程教学内容，也能培养学生的实践能力和创新能力。